淺談超級計算機及其發(fā)展

夏江婷

摘 要：隨著神威太湖之光登上世界超算之巔，我國的超級計算機在世界范圍內(nèi)再次大放異光，超級計算機作為信息化發(fā)展的重要載體，對科學(xué)發(fā)展，國防建設(shè)及經(jīng)濟發(fā)展都具有極為重要的作用。而且它對氣候，生命科學(xué)，航天等領(lǐng)域都有很強的推動作用。我國的超級計算機已經(jīng)實現(xiàn)了芯片自主研制。目前超算基本采用多運算機柜和多網(wǎng)絡(luò)機柜進行系統(tǒng)運算。隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，超級計算機將會配合云計算等發(fā)揮其重要作用。

關(guān)鍵詞：超級計算機；神威太湖之光；大數(shù)據(jù)

中圖分類號：TP387 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）24-0024-02

1 超級計算機簡介

1.1 超級計算機簡介

超級計算機是指相對于我們的個人計算機而言，它可以進行極高速度的運算和巨大量的數(shù)據(jù)資料處理，它的基本組成與個人計算機沒有很大差別，但規(guī)格上大了許多倍，其特點是高速度和大容量。從硬件上來說，它配備豐富的外部接口設(shè)備，從軟件上說，它的軟件系統(tǒng)極為豐富而且功能強大。衡量高性能計算機的水準主要是看其計算速度，即每秒多少次浮點操作數(shù)?，F(xiàn)有的超級計算機運算速度大都可以達到每秒一太（Trillion，萬億）次以上。

隨著互聯(lián)網(wǎng)和人工智能的發(fā)展，大數(shù)據(jù)時代即將來臨，云儲存和云計算的發(fā)展也日新月異，而超級計算機的高速度和大容量正好契合大數(shù)據(jù)技術(shù)所需的條件，因此，在未來的發(fā)展中，大數(shù)據(jù)技術(shù)將會和超級計算機相互促進，共同發(fā)展，其前景十分開闊。不僅如此，超級計算機在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也非常泛，如氣候環(huán)境，醫(yī)療，國防等。超級計算機的發(fā)展水平可以作為一個國家信息化發(fā)展的衡量標準，它也是綜合國力的一個標志。

1.2 超級計算機發(fā)展背景

超級計算機是1929年《紐約世界報》中最先報道出的一個名詞，它是將大量的處理器集中在一起以處理龐大的數(shù)據(jù)量，同時運算速度比常規(guī)計算機快許多倍。但是從結(jié)構(gòu)上看，超級計算機和普通計算機都是大同小異的，而這種并行化處理使得人們可以對龐大數(shù)據(jù)進行處理，進而影響到各個行業(yè)運行，其意義十分重大，1976年美國克雷公司推出了世界上首臺運算速度達每秒2.5億次的超級計算機，突出表現(xiàn)一國科技實力的超級計算機，堪稱集萬千寵愛于一身的高科技寵兒，在諸如天氣預(yù)報、生命科學(xué)的基因分析、核業(yè)、軍事、航天等高科技領(lǐng)域大展身手，讓各國科技精英競折腰，各國都在著手研發(fā)億億級超級計算機。

一般來說，超級計算機的運算速度平均每秒1000萬次以上；存貯容量在1000萬位以上。如美國的ILLIAC-Ⅳ，日本的NEC，歐洲的尤金，中國的“銀河”計算機，就屬于巨型計算機。巨型計算機的發(fā)展是電子計算機的一個重要發(fā)展方向。它的研制水平標志著一個國家的科學(xué)技術(shù)和工業(yè)發(fā)展的程度，體現(xiàn)著國家經(jīng)濟發(fā)展的實力。一些發(fā)達國家正在投入大量資金和人力、物力，研制運算速度達幾百萬億次的超級大型計算機。

自2009年我國國防科技大學(xué)發(fā)布峰值性能為每秒1.206千萬億次的“天河一號”超級計算機，我國成為美國之后第二個可以獨立研制千萬億次超級計算機的國家。尤其2016年神威太湖之光的出現(xiàn)，更是標志我國進入超算世界領(lǐng)先地位。超級計算機可以代表一個國家在信息數(shù)據(jù)領(lǐng)域的綜合實力，甚至可以說影響到國家在世界科學(xué)技術(shù)上的地位，不僅如此，超級計算機的實際應(yīng)用也相當(dāng)可觀，在大數(shù)據(jù)時代即將到來之際，超級計算機更是擔(dān)負著巨大責(zé)任。因此對超級計算機的研究是非常有必要的，非常關(guān)鍵的。

2 超級計算機技術(shù)

2.1 天河一號

天河一號是我國第一個走向世界領(lǐng)先地位的超級計算機，在結(jié)構(gòu)上采用CPU和PU相融合的架構(gòu)體系，在處理器方面采用飛騰處理器和因特爾處理器。此外還有服務(wù)陣列和存儲陣列。從軟件上說，它主要包含程序開發(fā)環(huán)境和操作系統(tǒng)。此外還包括編譯系統(tǒng)。

天河一號超級計算機大部分部件是我國自主研發(fā)的，其性能和能耗都達到了世界領(lǐng)先水準，另外它還提供基于隔離的用戶安全工作環(huán)境；提供統(tǒng)一的全系統(tǒng)資源管理視圖，友好的系統(tǒng)管理使用界面，一體化的并行應(yīng)用集成開發(fā)環(huán)境和虛擬的網(wǎng)絡(luò)計算環(huán)境。

系統(tǒng)容錯性能是評價超級計算機系統(tǒng)的重要指標。在“天河一號”軟硬件規(guī)劃中，專門設(shè)計了監(jiān)控診斷子系統(tǒng)，采用分布式集中管理結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)全系統(tǒng)的實時安全監(jiān)測、系統(tǒng)控制和調(diào)試診斷等功能。另外還建立了多層容錯技術(shù)，通過操作系統(tǒng)的檢查點功能、資源管理的任務(wù)級和作業(yè)級容錯技術(shù)，以及容錯并行算法和斷點續(xù)算功能，有效提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.2 神威太湖之光

神威太湖之光系統(tǒng)的全部核心部件都實現(xiàn)了國產(chǎn)化，在2016年的世界超算排名中運算速度位列第一，而且其功耗比也位列第一。它所使用的中央處理器是上海高性能集成電路設(shè)計中心自主研制的芯片申威26010。由四個核心組構(gòu)而成，采用28納米工藝，主頻率1.45GHZ，此核心組的主要功能是計算，整個芯片共有260個核心。

神威太湖之光的冷卻系統(tǒng)采用定制化液體水冷單元和全封閉式循環(huán)水冷系統(tǒng)，它為高速度的運算提供良好的運行環(huán)境，在整個系統(tǒng)中起到相當(dāng)重要的作用。就操作系統(tǒng)而言，神威太湖之光采用的是國產(chǎn)化的神威睿思操作系統(tǒng)，并且針對多核處理器配備了豐富的編譯工具，基礎(chǔ)數(shù)學(xué)庫和自動化量化工具。神威太湖之光共有40個機柜，機柜下面按照樹狀結(jié)構(gòu)分為超級節(jié)點板和節(jié)點卡，每個上面都裝有內(nèi)存。

3 超級計算機發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀

超級計算機目前已經(jīng)在各行業(yè)進行了一定應(yīng)用，如圖1所示，我們重點對天梯物理，氣象及生物醫(yī)療方面做簡單介紹。

3.1 天體物理方面應(yīng)用

一般在天體物理的研究中需要進行大量復(fù)雜的運算模擬以及演化，在這個條件下，超級計算機可以很好發(fā)揮它的優(yōu)勢，目前已經(jīng)有應(yīng)用較為成功的例子。日本東京大學(xué)的研究人員進行黑洞模擬。在其模型中，銀河系包含786432個等質(zhì)量的恒星，黑洞用占整個系統(tǒng)質(zhì)量1%的三個質(zhì)點建模。美國密歇根大學(xué)的研究人員采用BATS-R-U程序?qū)μ栵L(fēng)、磁氣圈以及冠狀物質(zhì)噴射的效應(yīng)進行模擬，求解非相對論的、可壓縮的等離子體方程（結(jié)合了歐拉氣動方程和麥克斯韋電磁方程組）。隨著人們對宇宙研究的深入，超級計算機將會在天體物理方面運用更廣。endprint

3.2 氣象方面應(yīng)用

氣象方面是超級計算機應(yīng)用的經(jīng)典領(lǐng)域，尤其是數(shù)值天氣預(yù)報和海洋動力學(xué)中間。如美國加利福尼亞大學(xué)用超級計算機模擬厄爾尼諾現(xiàn)象十周年，取得了大量有用的信息。美國加州工學(xué)院噴氣推進實驗室地球與空間科學(xué)分部對一個海洋環(huán)流模型程序進行測試，運行效率是單處理器時250倍左右。氣候問題一般涵蓋大量數(shù)據(jù)處理及分析，這正是超級計算機的優(yōu)勢所在。

3.3 生物醫(yī)學(xué)方面

生物信息學(xué)成為超級計算新的應(yīng)用領(lǐng)域，如人類基因組測序過程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)處理就離不開超級計算機。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用超級計算機來模擬人體各個器官的工作機理及人體內(nèi)各種生化反應(yīng)等。該領(lǐng)域的應(yīng)用實例有： 美國杜克大學(xué)利用計算機模擬心臟中的波陣面?zhèn)鲗?dǎo)。隨著仿生學(xué)和人工智能的發(fā)展，超級計算機在生物醫(yī)學(xué)方面將會應(yīng)用更廣。

除此之外，超級計算機還是世界高新科技領(lǐng)域的戰(zhàn)略制高點，可以廣泛應(yīng)用大規(guī)?？茖W(xué)與工程的計算，包括航空航天、裝備研制、金融領(lǐng)域等。目前全球以上的高性能計算機用作服務(wù)器，主要安裝在商業(yè)、金融、通信、國防、政府等部門用于商用計算、事務(wù)處理、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等。這類計算機對保障金融安全、通信安全，推進尖端武器研發(fā)等具有重要作用隨著軟硬件技術(shù)能力的提高，高性能計算機正日益走向普及，從通信金融。軍工、氣象等大企業(yè)高端應(yīng)用逐步走向中小企事業(yè)單位的普及型應(yīng)用世界超級計算機的評價。世界超級計算機的高端科技主要集中在發(fā)達國家，如美國、日本等。他們利用其雄厚的技術(shù)力量，以廣泛應(yīng)用到國防軍事、商業(yè)等各行各業(yè)，并極大的促進了社會的進步，給社會帶來了巨大的經(jīng)濟效益和經(jīng)濟效益。

4 超級計算機存在的問題

現(xiàn)行的超級計算機雖然已經(jīng)取得了很大成就，但仍然顯現(xiàn)出許多問題，比如體積非常大，不易移動式操作，另外從結(jié)構(gòu)上去考慮，它的工作方式仍然較為傳統(tǒng)，沒有突出的創(chuàng)新點，并行處理的方式雖然可以解決大數(shù)據(jù)運算的問題，但其本身不夠靈活，運算較為笨重，我們希望在未來的發(fā)展中，可以改進超級計算機的核心架構(gòu)和工作方式，從而解決現(xiàn)行并行處理帶來的一系列弊端，當(dāng)然這個過程是相當(dāng)困難的。另一方面，雖然神威太湖之光超級計算機的能耗已經(jīng)是同類計算機中很低的了，但實際上，它所耗費的能源仍然是相當(dāng)巨大的，我們?nèi)绻獜V泛利用超級計算機來配合大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，那么我們還必須考慮到能耗降低的問題。

5 超級計算機發(fā)展前景

大數(shù)據(jù)時代的到來，超級計算機將會在未來信息化發(fā)展中大放光彩，首先是它和云計算，云儲存聯(lián)系在一起，為大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展提供保障。未來超級計算機很可能會發(fā)展為共享服務(wù)器云計算的形式，發(fā)揮它極強運算速度和大批量數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢。另一方面，超級計算機本身的架構(gòu)和組件方式可能也會有很大改變，尤其體現(xiàn)在體積的縮小，運行的輕量化，成本的縮小化。未來它將不僅僅是作為國家戰(zhàn)略的一種存在，而且會涉入商業(yè)領(lǐng)域，如此會更加刺激它的發(fā)展。

超級計算機作為一個國家信息化的一種重要體現(xiàn)，首先將會在國防科技，工業(yè)化，航天衛(wèi)星等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，其次它會在諸如氣象，物理，探測等領(lǐng)域顯現(xiàn)出它的優(yōu)勢。依靠強大的數(shù)據(jù)處理能力和高速的運算能力，未來的超級計算機將會是大數(shù)據(jù)時代的重要工具。而且會進一步普及到我們的具體生活中來，為我們的社會發(fā)展做出巨大貢獻。

參考文獻

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